涉及X射线研究的诺贝尔奖
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| 年度 | 奖项 | 获奖者 | 贡献 |
|---|---|---|---|
| 1901 | 物理学 | W.C. Röntgen | X射线的发现 |
| 1914 | 物理学 | M. von Laue | X射线晶体衍射现象的发现 |
| 1915 | 物理学 | W.H. and W.L. Bragg | 使用X射线对晶体结构的解析 |
| 1962 | 化学 | J.C. Kendrew, M. Perutz | 球蛋白结构的研究 |
| 1962 | 生理学或医学 | F. Crick, J. Watson, M. Wilkins | DNA双螺旋结构的确定 |
| 1964 | 化学 | D. Crowfoot Hodgkin | 对包括维生素B12在内的许多生化物质的结构研究 |
| 1976 | 化学 | W.N. Lipscomb | 硼烷结构的解析 |
| 1985 | 化学 | H. Hauptman, J. Karle | 发展求解晶体结构的直接方法 |
| 1988 | 化学 | J. Deisenhofer, R. Huber, H. Michel | 测定光合反应中心的三维结构 |
| 1992 | 物理学 | G. Charpak | 多线丝极室的发现 |
| 1996 | 化学 | R. Curl, H. Kroto, and R. Smalley | 碳富勒烯结构的发现 |
| 2009 | 化学 | V. Ramakrishnan, T.A. Steitz, A.E. Yonath | 对线粒体结构和功能的研究 |
| 2010 | 物理学 | A. Geim, K. Novoselov | 二维石墨烯材料的研究 |
| 2011 | 化学 | D. Shechtman | 准晶体的发现 |
| 2012 | 化学 | R.J. Lefkowitz, B.K. Kobilka | G蛋白偶联受体的研究 |
1. X射线研究的开端
1901年，伦琴因发现X射线获得了首届诺贝尔物理学奖。事实上，伦琴是在对阴极射线的研究中发现X射线的。他用X射线拍摄的安娜-贝尔特（伦琴的妻子）的手骨与戒指的照片证明了X射线的穿透力，揭示了其在医学方面的应用前景。X射线发现之后，伦琴、波赫和科尔等科学家便开始探究X射线的性质。
马克思·冯·劳厄、Friedrich和Knipping通过实验阐明了X射线的性质。当Friedrich和Knipping用X射线照射硫酸铜晶体时，照相底片上出现了斑点，这无疑是因为入射的X射线在晶体中发生了衍射。劳厄进一步建立了数学模型以模拟X射线在三维晶格中的衍射，从而揭示了晶体的结构。1914年，劳厄因发现X射线晶体衍射现象获得诺贝尔物理学奖。
劳厄（Laue）的工作开创了X射线研究的两个分支：晶体结构测定与X射线光谱学。威廉·劳伦斯·布拉格（W. L. Bragg）沿着前者前进：小布拉格受到衍射图样的启发，使用他父亲的光谱仪研究了氯化钠和钾、金刚石、方解石、萤石、铁黄铁矿、萘和蒽等物质的结构，发现氯化钠并非以分子形式存在，这在当时的化学界是一个颠覆性的认知。而小布拉格的父亲，威廉·亨利·布拉格（W. H. Bragg）致力于X射线光谱学的研究，并证实了X射线管光谱与了查尔斯·巴克拉提出的K线和L线相匹配。布拉格父子因他们的开创性工作于1915年获得诺贝尔物理学奖。
2. 生物大分子结构的测定
由于实验条件的限制，20世纪早期的X射线结构分析只能测定简单结构的分子。20世纪30年代，帕特森函数（用于解决X射线晶体学中的相位问题）和Beevers–Lipson条带（用于根据晶体学数据计算傅里叶变换以确定晶体的结构，从而可以创建复杂分子的模型）使得更复杂结构的解析成为可能。多萝西·玛丽·霍奇金（Hodgkin）依赖以上两种方法确定了多种生化物质（如VB12、青霉素等）的结构，她因此获得1964年诺贝尔化学奖。
毫无疑问，在20世纪30年代，蛋白质晶体结构的解析根本不可能实现。获得合适的晶体成为化学家们面临的首要问题。诺斯洛普（Northrop）、斯坦利（Stanley）和萨姆纳（Sumner）因在20世纪20年代开创性地研究了酶的结晶而分享了1946年的诺贝尔化学奖。随后佩鲁兹（Perutz）和肯德鲁（Kendrew）基于发展相当成熟的蛋白质结晶方法，精确测定了肌红蛋白和血红蛋白的结构，他们因此获得1962年诺贝尔化学奖。
同样是在1962年，诺贝尔生理学或医学奖授予了克里克、沃森和威尔金斯，以表彰他们对DNA结构的研究。威尔金斯在操作DNA凝胶时偶然注意到了极其均匀的纤维，在负责X射线设备的Raymond Gosling的帮助下，他获得了第一张DNA X射线衍射图样。X射线衍射表明DNA分子呈规则螺旋结构。沃森和克里克通过氢键核苷酸对的形成来解释其结构的规律性。基于这一假设，两位科学家建立了一个DNA分子模型，两条多核苷酸链以反平行的方式排列，形成双螺旋，并且发现此结构与X射线衍射图样高度匹配。两位科学家区分了三种不同的DNA结构，并且证明DNA双螺旋结构存在于体内。
早期对球蛋白和DNA的研究工作，开辟了新的高分子晶体学研究领域。下面举几个代表性的例子：1972年与摩尔和斯坦恩分享诺贝尔化学奖的安芬森，与麻省理工学院的晶体学家小组合作确定了核糖核酸酶的结构。Deisenhofer、Huber和Michel因确定了光合反应中心的晶体结构而获得1988年诺贝尔化学奖，这对理解光合作用的调控机制至关重要。Boyer和Walker与Skou分享了1997年诺贝尔化学奖，他们依靠Walker确定的F1-ATP酶的晶体结构，阐明了ATP合成背后的酶学机制。与Agre共享2003年诺贝尔化学奖的MacKinnon，对离子通道的机理和结构进行了深入研究。R. D. Kornberg因研究真核生物转录的分子基础，包括确定RNA聚合酶II的晶体结构而获得2006年诺贝尔化学奖。Ramakrishnan、Steitz和Yonath分享了2009年诺贝尔化学奖，以表彰他们对原核生物核糖体的结构和功能的研究，包括Yonath引入低温生物晶体学，这成为结构生物学的常规方法。最后，Kobilka与Lefkowitz因他们对G蛋白偶联受体的研究分享了2012年诺贝尔化学奖。
3. 无机晶体学的不断发展
对无机体系的研究同样备受诺贝尔奖青睐。例如，Lipscomb因其在硼烷这一广阔领域内的贡献（主要是解析了硼烷的结构）而获得1976年诺贝尔化学奖。1996年诺贝尔化学奖授予了Curl、Kroto和Smalley，因为他们发现了富勒烯。他们利用碳谱、质谱、红外和紫外光谱对材料的表征及其随后的合理化研究，深深受益于Krätschmer等人的X射线晶体结构测定。
4. 数据处理和仪器设备
在数据处理方面，我们不得不提到1985年诺贝尔化学奖得主豪普特曼（Hauptman）和卡尔勒（Karle），他们在发展“直接法”（direct methods）方面取得重大成就。豪普特曼拥有数学背景，而卡尔勒是物理化学专家，这使他们合力解决了所谓的 相位问题。到20世纪60年代末，许多科学家认识到直接法的潜力；直到今天，直接法仍然是小分子结构测定中应用最广泛的物相分析方法。
在仪器领域，我们必须回顾以下工作：查尔帕克（Charpak），因发明和发展粒子检测器，特别是多线正比计数器而获得1992年诺贝尔物理学奖，其主要应用在目前X射线晶体学中普遍使用的二维检测器。
并且，我们必须承认的是，X射线晶体学使我们在很多领域取得了许多意想不到的结果。例如，谁会相信不具备平移对称性的晶体存在呢？然而，事实确实如此：尽管鲍林有话在先（没有准晶体，只有准科学家），瑞典科学院还是将2011年的诺贝尔化学奖授予了谢赫曼，因为他发现了准晶体。
5. 结语
X射线晶体学远不是一门成熟和停滞不前的学科，它拥有在仪器、数据处理和复杂系统等不同领域不断涌现出意想不到的成果的潜力，使得阐明化学物理性质或生物机制成为可能。
